液态空气储能系统、组合式蓄冷器及其控制方法

1.本发明涉及蓄冷设备领域，特别是涉及一种液态空气储能系统、组合式蓄冷器及其控制方法。


背景技术：

2.能源消耗的大幅增长是危及环境的主要问题之一，气候变化带来的不可逆转的后果促使了能源结构的转型，而目前在电力生产中，化石燃料仍然占据总能源消耗的四分之一，因此可再生能源的发展势在必行。然而，可再生能源具有不可预测、不稳定性，为电力生产和电力需求之间的平衡带来一定的挑战，克服这一问题的一个可行的解决方案是进行能量存储。
3.储能技术可以通过调峰或负载均衡来实现能源供需平衡。目前大规模的储能技术包括抽水蓄能、压缩空气储能及液态空气储能，因抽水蓄能和压缩空气储能技术受环境条件限制较大，液态空气储能技术受到广泛关注。作为可实现大规模长时储能的液态空气储能技术，具有不受地理条件限制、储能密度较高等优点，而其系统储能效率仍有较大提升空间。
4.蓄冷系统作为液态空气储能整体流程中的核心部分，其效率直接决定系统效率。因此，实现蓄冷器的高效蓄冷则尤为关键。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种组合式蓄冷器，能够大幅减少换热流体的泵送功耗，进而实现系统效率的提升。
6.本发明第一方面实施例提供一种组合式蓄冷器，包括：
7.第一主管；
8.第二主管；
9.至少两个蓄冷罐，至少两个所述蓄冷罐之间通过第一支管串联，且至少两个所述蓄冷罐的顶部通过第二支管与所述第一主管连通，至少两个所述蓄冷罐的底部通过第三支管与所述第二主管连通；
10.补冷罐，连接于所述第一主管，且通过第四支管连接于其中一个所述蓄冷罐的上游；
11.常温罐，连接于所述第一主管和所述第二主管，且通过第五支管连接于另一个所述蓄冷罐的下游。
12.根据本发明第一方面实施例提供的组合式蓄冷器，通过在蓄冷罐的上下游分别加入补冷罐和常温罐，因为随着储/释冷过程进行和次数的不断累积，填充床内部斜温层不断扩张，加入补冷罐和常温罐能够有效为斜温层的发展提供空间，进而保证在储/释冷过程中填充床的换热流体的出口温度始终保持在设计温度，以上方式能够有效克服填充床在多循环中的动态特性对整体系统造成的不利影响。而且，由于该组合式蓄冷器采用模块化调控，
同时开放部分有效换热的蓄冷罐以取代全部开放，能够大幅减少换热流体的泵送功耗，进而实现系统效率的提升。
13.根据本发明的一个实施例，所述第一支管上设置有第一控制阀，所述第二支管上设置有第二控制阀，所述第三支管上设置有第三控制阀，所述第四支管上设置有第四控制阀，所述第五支管上设置有第五控制阀。
14.根据本发明的一个实施例，所述补冷罐的底部还设置有第六支管，所述第六支管上设置有第六控制阀。
15.根据本发明的一个实施例，所述补冷罐与所述第一主管之间设置有第七控制阀，所述常温罐与所述第一主管之间设置有第八控制阀，所述常温罐与所述第二主管之间设置有第九控制阀。
16.根据本发明的一个实施例，在所述第一主管上与所述第八控制阀背离所述常温罐的一侧连接有第十控制阀，在所述第二主管上背离所述第九控制阀的一侧连接有第十一控制阀。
17.根据本发明的一个实施例，所述蓄冷罐包括蓄冷罐本体以及填充在所述蓄冷罐本体内部的固相蓄冷介质。
18.根据本发明的一个实施例，所述补冷罐和/或所述常温罐为多个，多个所述补冷罐之间相互串联，和/或多个所述常温罐之间相互串联。
19.本发明第二方面实施例提供一种液态空气储能系统，包括上述的组合式蓄冷器。
20.根据本发明第二方面实施例提供的液态空气储能系统，通过设置本发明第一方面实施例中的组合式蓄冷器，能够保证在储/释冷过程中填充床的换热流体的出口温度始终保持在设计温度。由于组合式蓄冷器采用模块化调控，同时开放部分有效换热的蓄冷罐以取代全部开放，能够大幅减少换热流体的泵送功耗，进而能够实现液态空气储能系统效率的提升。
21.本发明第三方面实施例提供一种组合式蓄冷器的控制方法，包括：
22.初次蓄冷步骤，将换热流体由所述蓄冷罐的底部通入至少两个所述蓄冷罐中位于上游的所述蓄冷罐中，并使所述换热流体依次流经其余所述蓄冷罐；
23.再次蓄冷步骤，将换热流体通入所述补冷罐中，并使所述换热流体依次流经其余所述蓄冷罐。
24.根据本发明的一个实施例，还包括：
25.确定相邻上次的蓄冷过程中，斜温层进入所述常温罐中；
26.第一释冷步骤，将换热流体由第八控制阀通入所述常温罐和至少两个所述蓄冷罐中位于下游的所述蓄冷罐中；
27.第二释冷步骤，所述常温罐的温度达到预设温度后，将所述换热流体依次通入所述蓄冷罐和所述低温罐中。
28.本发明中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
29.根据本发明第一方面实施例提供的组合式蓄冷器，通过在蓄冷罐的上下游分别加入补冷罐和常温罐，因为随着储/释冷过程进行和次数的不断累积，填充床内部斜温层不断扩张，加入补冷罐和常温罐能够有效为斜温层的发展提供空间，进而保证在储/释冷过程中填充床的换热流体的出口温度始终保持在设计温度，以上方式能够有效克服填充床在多循
环中的动态特性对整体系统造成的不利影响。而且，由于该组合式蓄冷器采用模块化调控，同时开放部分有效换热的蓄冷罐以取代全部开放，能够大幅减少换热流体的泵送功耗，进而实现系统效率的提升。
30.根据本发明第二方面实施例提供的液态空气储能系统，通过设置本发明第一方面实施例中的组合式蓄冷器，能够保证在储/释冷过程中填充床的换热流体的出口温度始终保持在设计温度。由于组合式蓄冷器采用模块化调控，同时开放部分有效换热的蓄冷罐以取代全部开放，能够大幅减少换热流体的泵送功耗，进而能够实现液态空气储能系统效率的提升。
附图说明
31.图1为本发明实施例提供的组合式蓄冷器的示意性结构图。
32.附图标记：
33.100、第一主管；102、第二主管；104、蓄冷罐；106、第一支管；108、第二支管；110、第三支管；112、补冷罐；114、第四支管；116、常温罐；118、第五支管；120、第一控制阀；122、第二控制阀；124、第三控制阀；126、第四控制阀；128、第五控制阀；130、第六支管；132、第六控制阀；134、第七控制阀；136、第八控制阀；138、第九控制阀；140、第十控制阀；142、第十一控制阀。
具体实施方式
34.为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
35.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
37.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
38.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
39.如图1所示，本发明第一方面实施例提供一种组合式蓄冷器，包括：
40.第一主管100；
41.第二主管102；
42.至少两个蓄冷罐104，至少两个蓄冷罐104之间通过第一支管106串联，且至少两个蓄冷罐104的顶部通过第二支管108与第一主管100连通，至少两个蓄冷罐104的底部通过第三支管110与第二主管102连通；
43.补冷罐112，连接于第一主管100，且通过第四支管114连接于其中一个蓄冷罐104的上游；
44.常温罐116，连接于第一主管100和第二主管102，且通过第五支管118连接于另一个蓄冷罐104的下游。
45.根据本发明第一方面实施例提供的组合式蓄冷器，通过在蓄冷罐104的上下游分别加入补冷罐112和常温罐116，因为随着储/释冷过程进行和次数的不断累积，填充床内部斜温层不断扩张，加入补冷罐112和常温罐116能够有效为斜温层的发展提供空间，进而保证在储/释冷过程中填充床的换热流体的出口温度始终保持在设计温度，以上方式能够有效克服填充床在多循环中的动态特性对整体系统造成的不利影响。而且，由于该组合式蓄冷器采用模块化调控，同时开放部分有效换热的蓄冷罐104以取代全部开放，能够大幅减少换热流体的泵送功耗，进而实现系统效率的提升。
46.具体来说，请继续参见图1，在本发明第一方面实施例提供的组合式蓄冷器中，主要包括第一主管100、第二主管102、至少两个蓄冷罐104、补冷罐112以及常温罐116。
47.其中，第一主管100和第二主管102用于实现至少两个蓄冷罐104与补冷罐112以及常温罐116的连通。在本发明实施例中，第一主管100连接于至少两个蓄冷罐104的上方，也即，至少两个蓄冷罐104的顶部通过第二支管108与第一主管100连通。第二主管102连接于至少两个蓄冷罐104的下方，也即，至少两个蓄冷罐104的底部通过第三支管110与第二主管102连通。
48.此外，至少两个蓄冷罐104之间通过第一支管106实现串联，需要说明的是，在本发明实施例中，以蓄冷罐104是两个为例。位于上游的蓄冷罐104的顶部通过第一支管106连接于位于下游的蓄冷罐104的底部。如图1所示，当蓄冷罐104是三个时，位于左侧的第一个蓄冷罐104的顶部通过第一支管106连接于位于中间的第二个蓄冷罐104的底部，位于中间的第二个蓄冷罐104的顶部通过第一支管106连接于位于右侧的第三个蓄冷罐104的底部。
49.这样一来，当蓄冷时，换热流体能够由第一个蓄冷罐104的底部进入第一个蓄冷罐104中，再从第一个蓄冷罐104的顶部流出，再从第二个蓄冷罐104的底部进入第二个蓄冷罐104中，再从第二个蓄冷罐104的顶部流出，最后由第三个蓄冷罐104的底部进入第三个蓄冷
罐104中。
50.当释冷时，换热流体能够由第三个蓄冷罐104的顶部进入第三个蓄冷罐104中，再从第三个蓄冷罐104的底部流出，再从第二个蓄冷罐104的顶部进入第二个蓄冷罐104中，再从第二个蓄冷罐104的底部流出，最后由第三个蓄冷罐104的顶部进入第三个蓄冷罐104中。
51.在本发明实施例中，参照图1，在第一个蓄冷罐104的上游还设置有补冷罐112，在第三个蓄冷罐104的下游还设置有常温罐116。也即，补冷罐112通过第四支管114连接于第一个蓄冷罐104的上游，常温罐116通过第五支管118连接于第三个蓄冷罐104的下游。同时，补冷罐112还连接于第一主管100，常温罐116还连接于第一主管100和第二主管102。
52.参见图1，根据本发明的一个实施例，第一支管106上设置有第一控制阀120，第二支管108上设置有第二控制阀122，第三支管110上设置有第三控制阀124，第四支管114上设置有第四控制阀126，第五支管118上设置有第五控制阀128。
53.通过在第一支管106上设置第一控制阀120，在第二支管108上设置第二控制阀122，在第三支管110上设置第三控制阀124，在第四支管114上设置第四控制阀126，在第五支管118上设置第五控制阀128，能够通过不同的控制阀的通断来实现对换热流体的流向的控制。
54.具体来说，通过对第一控制阀120的控制，能够控制相邻两个蓄冷罐104之间的通断；通过对第二控制阀122的控制，能够控制蓄冷罐104与第一主管100之间的通断；通过对第三控制阀124的控制，能够控制蓄冷罐104与第二主管102之间的通断；通过对第四控制阀126的控制，能够控制补冷罐112与蓄冷罐104之间的通断；通过对第五控制阀128的控制，能够控制蓄冷罐104与常温罐116之间的通断。
55.这样一来，就能够通过对不同的控制阀的控制，开放部分有效换热的蓄冷罐104以取代全部开放，能够大幅减少换热流体的泵送功耗，进而实现系统效率的提升。
56.根据本发明的一个实施例，补冷罐112的底部还设置有第六支管130，第六支管130上设置有第六控制阀132。
57.通过在补冷罐112的底部设置第六支管130，并在第六支管130上设置第六控制阀132，使得在再次蓄冷的过程中，能够开启第六控制阀132，以使得换热流体流经第六控制阀132进入补冷罐112中，以使得补冷罐112中能够为斜温层的发展提供空间，流经补冷罐112后再流入蓄冷罐104中。
58.根据本发明的一个实施例，补冷罐112与第一主管100之间设置有第七控制阀134，常温罐116与第一主管100之间设置有第八控制阀136，常温罐116与第二主管102之间设置有第九控制阀138。
59.通过在补冷罐112与第一主管100之间设置第七控制阀134，在常温罐116与第一主管100之间置第八控制阀136，在常温罐116与第二主管102之间设置第九控制阀138，能够控制补冷罐112、常温罐116与第一主管100之间以及常温罐116与第二主管102之间的通断。举例来说，当第八控制阀136开启时，在释冷过程中，换热流体能够经过第八控制阀136进入常温罐116中。
60.根据本发明的一个实施例，在第一主管100上与第八控制阀136背离常温罐116的一侧连接有第十控制阀140，在第二主管102上背离第九控制阀138的一侧连接有第十一控制阀142。
61.举例来说，通过在第一主管100上与第八控制阀136背离常温罐116的一侧设置第十控制阀140，使得在释冷的过程中，可以开启第十控制阀140，进而使得换热流体能够流经第十控制阀140进入常温罐116中。当首次蓄冷时，可以开启第十一控制阀142，换热流体能够流经第十一控制阀142进入第一个蓄冷罐104中。当再次蓄冷时，可以开启第十一控制阀142，换热流体能够流经第十一控制阀142进入补冷罐112中，再通过补冷罐112进入第一个蓄冷罐104中。
62.根据本发明的一个实施例，蓄冷罐104包括蓄冷罐104本体以及填充在蓄冷罐104本体内部的固相蓄冷介质。
63.具体来说，各蓄冷罐104均包括蓄冷罐104本体以及填充在蓄冷罐104本体内部的固相蓄冷介质。其中，固相蓄冷介质为固定颗粒材料或多孔材料，可以在蓄冷罐104本体的内部填充一种材料构成固相蓄冷介质，也可以填充多种混合材料构成固相蓄冷介质。其中，固相蓄冷介质在蓄冷罐104本体内部的填充方式采用分层堆积或混合堆积。
64.具体来说，与该组合式蓄冷器进行换热的流体可以为液体或气体，也可以为液体和气体的混合物。在进行换热时，换热流体与固相蓄冷介质可以直接接触换热，也可以通过中间气体或液体间接换热。
65.根据本发明的一个实施例，补冷罐112和/或常温罐116为多个，多个补冷罐112之间相互串联，和/或多个常温罐116之间相互串联。
66.换而言之，在本发明实施例中，补冷罐112可以为多个，多个补冷罐112之间相互串联。同样，常温罐116也可以为多个，多个常温罐116之间相互串联。
67.本发明第二方面实施例提供一种液态空气储能系统，包括上述的组合式蓄冷器。
68.根据本发明第二方面实施例提供的液态空气储能系统，通过设置本发明第一方面实施例中的组合式蓄冷器，能够保证在储/释冷过程中填充床的换热流体的出口温度始终保持在设计温度。由于组合式蓄冷器采用模块化调控，同时开放部分有效换热的蓄冷罐104以取代全部开放，能够大幅减少换热流体的泵送功耗，进而能够实现液态空气储能系统效率的提升。
69.本发明第三方面实施例提供一种组合式蓄冷器的控制方法，包括：
70.初次蓄冷步骤，将换热流体由蓄冷罐104的底部通入至少两个蓄冷罐104中位于上游的蓄冷罐104中，并使换热流体依次流经其余蓄冷罐104；
71.再次蓄冷步骤，将换热流体通入补冷罐112中，并使换热流体依次流经其余蓄冷罐104。
72.根据本发明第三方面实施例提供的组合式蓄冷器的控制方法，通过在蓄冷罐104的上下游分别加入补冷罐112和常温罐116，因为随着储/释冷过程进行和次数的不断累积，填充床内部斜温层不断扩张，加入补冷罐112和常温罐116能够有效为斜温层的发展提供空间，进而保证在储/释冷过程中填充床的换热流体的出口温度始终保持在设计温度，以上方式能够有效克服填充床在多循环中的动态特性对整体系统造成的不利影响。
73.具体来说，在初次蓄冷步骤中，换热流体直接由底部进入第一个蓄冷罐104中，也即，在这一步骤中，开启第十一控制阀142、第一个蓄冷罐104与第二主管102之间的第三控制阀124以及第一个蓄冷罐104与第一主管100之间的第二控制阀122，其余控制阀关闭。随着第一个蓄冷罐104中换热不断进行，当其出口温度开始下降时，开启第一个蓄冷罐104与
第二个蓄冷罐104之间的第一控制阀120以及第二个蓄冷罐104与第一主管100之间的第二控制阀122，关闭第一个蓄冷罐104与第一主管100之间的第二控制阀122，换热流体先后通过第一个蓄冷罐104和第二个蓄冷罐104。
74.当第二个蓄冷罐104的出口温度开始下降时，开启第二个蓄冷罐104与第三个蓄冷罐104之间的第一控制阀120以及第三个蓄冷罐104和第一主管100之间的第二控制阀122，关闭第二个蓄冷罐104与第一主管100之间的第二控制阀122，依次类推。
75.同时，当第一个蓄冷罐104的出口温度下降至设计低温时，关闭第一个蓄冷罐104与第二主管102之间的第三控制阀124，换热流体直接经第二个蓄冷罐104与第二主管102之间的第三控制阀124进入第二个蓄冷罐104，类似地，当第二个蓄冷罐104的出口温度下降至设计低温时，关闭第二个蓄冷罐104与第一主管100之间的第二控制阀122，依次类推，直至首次蓄冷过程完成。
76.在再次蓄冷步骤中，也即，在第二次及随后的蓄冷过程中，与初次蓄冷步骤不同的是，换热流体经第六控制阀132首先进入补冷罐112和第一个蓄冷罐104中，因在相邻上次的释冷过程中，填充床的斜温层发展至补冷罐112中，即开启第十一控制阀142、第六控制阀132、第四控制阀126以及第一个蓄冷罐104与第一主管100之间的第二控制阀122，其他控制阀关闭，当第一个补冷罐112全部冷却至设计低温时，关闭第六控制阀132以及第四控制阀126，开启第一个蓄冷罐104与第二主管102之间的第三控制阀124，换热流体直接进入第一个蓄冷罐104中，其余操作与初次蓄冷步骤相同。
77.根据本发明的一个实施例，还包括：
78.确定相邻上次的蓄冷过程中，斜温层进入常温罐116中，第一释冷步骤，将换热流体由第八控制阀136通入常温罐116以及至少两个蓄冷罐104中位于下游的蓄冷罐104中；
79.第二释冷步骤，常温罐116的温度达到预设温度后，将换热流体依次通入蓄冷罐104和补冷罐112中。
80.具体来说，在第一释冷步骤中，换热流体直接由顶部经第八控制阀136进入常温罐116和第三个蓄冷罐104中，即开启第十控制阀140、第八控制阀136、第五控制阀128以及第三个蓄冷罐104与第二主管102之间的第三控制阀124，其余控制阀关闭。当常温罐116全部为设计常温时，关闭第八控制阀136和第五控制阀128，开启第三个蓄冷罐104与第一主管100之间的第二控制阀122，常温气体直接进入第三个蓄冷罐104中。
81.在第二释冷步骤中，随着第三个蓄冷罐104中换热不断进行，当其出口温度开始上升时，开启第二个蓄冷罐104和第三个蓄冷罐104之间的第一控制阀120以及第二个蓄冷罐104与第二主管102之间的第三控制阀124，关闭第三个蓄冷罐104与第二主管102之间的第三控制阀124，换热流体先后通过第三个蓄冷罐104和第二个蓄冷罐104。当第二个蓄冷罐104出口温度开始上升时，开启第一个蓄冷罐104和第二个蓄冷罐104之间的第三控制阀124以及第一个蓄冷罐104与第二主管102之间的第三控制阀124，关闭第二个蓄冷罐104与第二主管102之间的第三控制阀124，依次类推。同时，当第三个蓄冷罐104的出口温度上升至设计常温时，关闭第三个蓄冷罐104与第一主管100之间的第二控制阀122，换热流体直接经第二个蓄冷罐104与第一主管100之间的第二控制阀122进入第二个蓄冷罐104，类似地，当第二个蓄冷罐104的出口温度上升至设计常温时，关闭第二个管与第一主管100之间的第二控制阀122，依次类推，直至释冷过程完成。
82.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。